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Submitted on 8 Feb 2010
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LED de puissance blanches : Sources de lumières de demain
Nicolas Pousset, Bernard Rougié, Stéphane Aubert, Annick Razet
To cite this version:
Nicolas Pousset, Bernard Rougié, Stéphane Aubert, Annick Razet. LED de puissance blanches : Sources de lumières de demain. 14ème Congrès international de métrologie, Jun 2009, Paris, France.
pp.Pousset et al. �hal-00454125�
14 ème Congrès international de métrologie, Paris, France, 2009.
LED DE PUISSANCE BLANCHES : SOURCES DE LUMIERE DE DEMAIN
N. Pousset, B. Rougié, S. Aubert, A. Razet LNE-INM/Cnam
61 rue du Landy 93210 La Plaine - Saint Denis
Résumé
La qualité de la lumière émise par des systèmes d’éclairage à base de LED de puissance a été étudiée au sein du LNE-INM/Cnam, via des paramètres colorimétriques évoluant en fonction du mode d’alimentation électrique (courant continu et pulsé) des LED. Les valeurs d’incertitudes sur les mesures spectrales relatives et sur les paramètres colorimétriques sont présentées.
Abstract
The quality of light emitted by lighting systems based on high brightness LEDs has been studied in the LNE- INM/Cnam via colorimetric parameters evolving with electrical power (continuous and pulsed current). Uncertainties values on relative spectral measurements and colorimetric parameters are presented.
Introduction
A l’heure du développement durable, la consommation électrique et le respect de l’environnement sont les vocables qui caractérisent les diodes électroluminescentes (LED : Light Emitting Diode). D’une technologie datant des années 60, les LED constituent actuellement un ensemble vaste et éclectique dont les applications dépendent à la fois de la puissance lumineuse et de la couleur d’émission.
Les LED de faible puissance (inférieure à 1W) ont, depuis les années 70, des applications au quotidien : voyants lumineux sur divers appareils, tableaux de bord des véhicules, signalisation routière,…
Les LED blanches de forte puissance, apparues grâce notamment aux recherches de S. Nakamura dans les années 90, sont actuellement en plein essor pour une utilisation dans l’éclairage, le rétro-éclairage des écrans et les phares avant d’automobiles. Les critères qui doivent être appréhendés pour la mise en œuvre de ces LED sont : le flux lumineux, l’efficacité lumineuse, la durée de vie, la qualité de la lumière, les conditions d’alimentation électrique, les conditions de dissipation thermique. Un des avantages majeurs de la mise en œuvre des LED de puissance concerne leur efficacité lumineuse. Alors que l’efficacité lumineuse typique des lampes à incandescence est de 15 lm/W, celle des LED est de l’ordre de 40 à 80 lm/W ce qui les rapproche des sources à fluorescences dont l’efficacité typique est proche de 100 lm/W.
Le LNE-INM/Cnam, s’est intéressé à la qualité de la lumière émise selon les conditions d’alimentation électrique des LED. Dans cet article, les variations spectrales du flux ont été analysées en fonction de la valeur du courant moyen dans chacun des deux modes d’alimentation (continu et pulsé) des éclairages à LED mis en œuvre. Ces mesures spectrales ont permis de quantifier les variations de paramètres colorimétriques.
Ces analyses permettent d’argumenter sur le choix du meilleur mode d’alimentation, particulièrement dans un mode dynamique, avec des variateurs de puissance. D’autre part, ces analyses constituent une étape permettant d’orienter les recherches vers la réalisation de sources de référence utilisant des LED.
Systèmes d’éclairage à LED et spectroradiomètre
Le schéma de la figure 1 présente le banc de référence de caractérisation de LED de puissance développé au LNE- INM/Cnam [1]. Celui-ci est composé principalement d’une cabine à lumière contenant des systèmes d’éclairage à LED et d’un spectroradiomètre à réseau, positionné à 1,2 m de la cabine environ, et permettant d’effectuer des mesures spectrales relatives sur ces éclairages.
Figure 1 - Description schématique du montage de référence du LNE- INM/Cnam permettant d’effectuer des mesures spectrales relatives sur des systèmes d’éclairage à LED. Ai : Alimentations stabilisées en courant, : Etalon blanc de réflexion diffuse éclairé par un des systèmes d’éclairage à LED, T : Téléobjectif, MCT : Monochromateur de type Czerny-Turner, PM : Photomultiplicateur, CTS : Chaîne de traitement du signal.
Une cabine à lumière sert généralement à effectuer des
comparaisons visuelles sur des objets colorés éclairés par
différents types de sources lumineuses artificielles. La cabine à
lumière a été conçue dans le cadre d’un projet - plus vaste que
celui présenté dans cet article - dont le thème central est l’étude
du rendu des couleurs des LED. Cette cabine fait 1 m de long
pour 60 cm de profondeur et de hauteur. Elle contient cinq
systèmes d’éclairage à LED positionnés dans la partie supérieure
de la cabine. Deux de ces éclairages sont de type blanc froid
(noté 1 et 2) et proviennent de deux fabricants distincts et les
trois autres éclairages sont de type blanc chaud (noté 3, 4, et 5) et
proviennent également de trois fabricants différents. Les
répartitions spectrales des sources 1 et 2 sont représentées sur la
figure 2a et celles des sources 3, 4 et 5 sont représentées sur la
figure 2b. Les températures de couleur proximales moyennes
sont respectivement pour les deux systèmes 1 et 2, de 5930 K et
6100 K, et pour les trois systèmes 3, 4 et 5, de 3500 K, 2850 K et
3030 K. Chaque éclairage est composé de 10 LED de 1 W
branchées en série et montées sur un dissipateur thermique en
aluminium anodisé. Un diffuseur est placé sous les éclairages à
14 ème Congrès international de métrologie, Paris, France, 2009.
LED à une distance de 15 cm afin d’obtenir un éclairage uniforme, dans la cabine à lumière, sur un étalon blanc de réflexion diffuse qui sera la surface d’analyse.
Figure 2a - Spectres des systèmes d’éclairage à LED de type blanc froid montés dans la cabine à lumière du LNE-INM/Cnam.
Figure 2b - Spectres des systèmes d’éclairage à LED de type blanc chaud montés dans la cabine à lumière du LNE-INM/Cnam.
Un spectroradiomètre est associé à cette cabine. Pour le banc de référence il s’agit d’un spectroradiomètre à réseau, de marque Bentham, composé d’un monochromateur simple, référencé M300 de type Czerny-Turner, ayant une distance focale de 300 mm. Le réseau de diffraction holographique permet de mesurer des radiations électromagnétiques comprises entre 200 nm et 1,4 µm environ. Son utilisation est restreinte au domaine de longueurs d’onde comprises entre 380 et 780 nm. La largeur de bande de la fonction de transfert est de 1 nm. La résolution du moteur pas à pas assurant la rotation du réseau permet des déplacements en longueur d’onde d’une valeur minimale de 0,075 nm. La surface analysée correspond à une aire de 1 cm 2 environ sur l’étalon blanc.
Dans le cadre des mesures présentées dans cet article, celles-ci ont été réalisées à l’aide d’un spectroradiomètre référencé CS-2000, de marque Konica Minolta.
Cet instrument a été choisi afin de réduire les temps de mesures. En effet, pour le spectroradiomètre du banc de référence configuré pour répondre à nos besoins, le temps de mesure d’un seul spectre est proche de 20 minutes. Ce temps est de 10 secondes environ pour le CS-2000 dans une configuration équivalente. Pour les résultats présentés dans cet article le nombre de spectre qui ont été mesurés, est supérieur à 150.
Ce spectroradiomètre permet de couvrir le même domaine spectral que le Bentham et définit sur l’objet une surface équivalente à celle définie par notre banc de référence. La largeur de bande de sa fonction de transfert est de 5 nm. Or le signal mesuré par le spectroradiomètre est proportionnel au résultat d’un produit de convolution entre la valeur vraie du spectre de la source étudiée, et la fonction de transfert du monochromateur.
Afin de valider les mesures réalisées par le CS-2000, des écarts de spectres mesurés sur les différents éclairages à LED avec ce spectroradiomètre et le banc de référence ont été calculés. Ceux- ci ont été comparés avec les écarts de spectres calculés avant et
après une simulation de convolution avec une fonction de transfert triangulaire et symétrique de largeur de bande de 5 nm.
Ceci a permis de mettre en évidence que les écarts étaient dus à la largeur de bande de la fonction de transfert comme le montre la figure 3.
Figure 3 - Ecarts sur les mesures spectrales relatives effectuées avec le CS-2000 et le banc de référence (M300) comparés aux écarts de spectres calculés avant et après des simulations de convolution avec une fonction de transfert de largeur de bande de 5 nm sur le système d’éclairage à LED blanc froid 1.
Les éléments essentiels de la cabine (peinture, diffuseur) ont été choisis pour leur neutralité spectrale. Par conséquent, l’éclairement sur la surface analysée est représentatif de la répartition spectrale intrinsèque des LED. Sans avoir les qualités d’une sphère intégrante, nous estimons que la cabine produit sur l’étalon blanc un éclairement qui est sensiblement proportionnel au flux. D’autant plus, que nous ne nous intéressons pas à la valeur absolue de ce flux mais à ces variations en fonction du courant d’alimentation des LED. Les mesures spectrales relatives effectuées sont donc assimilées à des mesures de flux spectrique ϕ λ échantillonnées avec un pas, Δλ, de 1 nm, dans le domaine visible, entre 380 et 780 nm, sur les cinq systèmes d’éclairage à LED. Ces mesures sont normées à 1 pour la valeur maximale du flux.
Les incertitudes calculées pour les mesures effectuées avec le CS-2000 reposent sur le même principe que celles calculées pour le banc de référence [1]. Seules les incertitudes dues à la largeur de bande ont été ajustées. Le tableau 1 présente quelques incertitudes associées aux mesures de flux spectrique relatif des différents éclairages à LED effectuées avec le CS- 2000.
Paramètres colorimétriques
La qualité de la lumière émise par une source est caractérisée par deux notions indissociables que sont sa couleur apparente et sa capacité à rendre les couleurs. Ces deux propriétés sont caractérisées par la température de couleur proximale et les indices particuliers de rendu des couleurs. La détermination de ces paramètres nécessite le repérage de la source de lumière dans un système colorimétrique à l’aide de coordonnées chromatiques.
Dans cet article seules les coordonnées chromatiques x et y de l’espace CIE XYZ 1931 [2] ont été étudiées. Elles sont définies par :
Z Y X y Y
Z Y X x X
(1)
14 ème Congrès international de métrologie, Paris, France, 2009.
avec les composantes trichromatiques X, Y, Z exprimées par :
. .
. .
. .
z k Z
y k Y
x k X
(2)
où x , y , z sont les fonctions colorimétriques d’un observateur de référence CIE 1931, et
. . 100
k y (3)
La température de couleur proximale a été calculée par la méthode de McCamy [3] tel que :
3
2 449 .
. 3525 . 3 , 6823 3 ,
5520 n n n
T cp (4)
où l’expression de n est donnée par :
1858 , 0
3320 , 0
y
n x (5)
La méthode de calcul des indices particuliers de rendu des couleurs, notés de R 1 à R 14 , basée sur 14 échantillons de couleur test de l’atlas de Munsell, est décrite dans la recommandation de la Commission Internationale de l’Eclairage (CIE) [4].
Alimenter une LED : courant ou tension?
Une LED est un composant opto-électronique dont l’élément essentiel, qui émet de la lumière, est un semiconducteur. Ce semiconducteur possède une dépendance courant-tension qui n’est pas linéaire mais exponentielle, comme le montre la figure 4. Ainsi une petite variation de tension engendre une grande variation de courant, et inversement une petite variation de courant engendre une petite variation de tension. Le flux étant quasi proportionnel au courant [5] il est préférable d’utiliser une alimentation en courant plutôt qu’en tension pour obtenir un flux stable.
De manière générale, il est possible d’alimenter des LED en courant de deux manières différentes. La première, qui est également la plus simple et la moins coûteuse, est une alimentation en courant continu. La deuxième est une alimentation en courant pulsé, autrement nommée PWM (Pulse Width Modulation). Ce courant pulsé est constitué de créneaux d’amplitude fixe dont on fait varier le rapport cyclique R c
exprimé par :
R c T (6)
avec :
τ, la durée du pulse généré.
T, la période du signal.
Ceci offre un moyen de faire varier le flux émis en fonction du rapport cyclique. On parle alors de « dimming ».
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
2,25 2,40 2,55 2,70 2,85 3,00 3,15 3,30 Tension d'alimentation directe VF (V) Courant d'alimentation direct IF (mA)